本文要點
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帶狀線佈線結構 |
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帶狀傳輸線佈線的四個基本步驟 |
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如何使用 PCB 設計 CAD 工具完成傳輸線佈線 |
電路板技術不斷發展壯大
隨著印刷電路板 (PCB) 使用的處理器技術不斷進步，對電路板電路傳導速度的要求也在不斷提高。處理器不斷進行新的反覆運算，信號切換速度也變得越來越快，這反過來又要求人們在 PCB 上對這些信號進行佈線時更加謹慎。由於這種電路的時鐘頻率較高，傳輸時間較短，許多在過去無需擔心的佈線連接，現在都需要作為高速傳輸線來處理。
為了正確地傳導這些高速切換的傳輸線，在 PCB 中進行走線佈線時需要嚴格控制阻抗。這就要求電路板傳輸線的結構必須保持高度一致，防止任何部分的信號被反射。信號反射會造成線路雜訊，最終降低電路的性能。為了防止出現這樣的問題，需要在 PCB 中設置板層堆疊和帶狀傳輸線的佈線規則，我們將在本文詳細探討。
帶狀線檢查
帶狀線 (Stripline) 佈線是一種電路板層配置，在兩個接地平面層之間插入一個內部走線佈線層。透過仔細控制佈線層和平面層之間隔離材料的厚度和介電常數 (Dk)，我們可以創建特定寬度和銅重的走線，使其在特定阻抗下工作。該過程被稱為受控阻抗佈線，在 PCB 上進行傳輸線佈線時，通常需要這樣操作來消除任何信號反射。
另一種傳輸線佈線配置是微帶線 (microstrip)，除了是在電路板的外層上進行佈線外，微帶線與帶狀線的佈線方式類似。採用這種配置，表面佈線層下方只有一個參考平面和隔離介質。由於不會像帶狀線那樣，在佈線上方和下方擁有相同數量的屏蔽，微帶線不能提供相同的隔離水準。此外，由於空氣介電常數的影響，走線暴露在外，而不是夾在平面之間，這會改變阻抗的計算結果。因此，微帶線的佈線通常要寬於帶狀線佈線。
然而，由於帶狀線佈線在介電層和平面層之間的隔離效果很好，傳輸線不會像微帶線那樣輻射出那麼多的能量。這使得更小、更緊湊的佈線走線成為可能。此外，帶狀線配置還能提供更多的保護，防止傳入入侵 (aggressor) 信號產生干擾。接下來，我們來看看帶狀傳輸線佈線的四個基本步驟。
元件下方的 PCB 佈線
帶狀傳輸線佈線
要想成功地進行帶狀傳輸線佈線，需要考慮四個基本步驟：
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層堆疊：使用帶狀線配置進行傳輸線佈線，首先要創建板層堆疊。不僅需要指定兩個接地平面之間的專用佈線層，還必須規劃介電材料及其寬度。這對下一步的工作十分重要。 |
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阻抗計算：PCB layout 團隊需要知道電路板層疊構資訊，以便正確計算受控阻抗線的佈線寬度。透過插入之後會使用的電路板材料及其寬度，使用計算器即可確定目標阻抗值的正確走線寬度。 |
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佈線：傳輸線需要與其他類型的信號佈線相互隔離，所以要設置好設計規則，使這些線路之間保持足夠的間隙。其他信號可以使用同一層，它們只是需要遠離高速傳輸線，以保持這些線路的信號完整性。 |
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接地平面：進行傳輸線佈線時，一定不要在接地平面的中斷點上佈線。傳輸線需要一個不間斷的平面層，以保證信號返回路徑直接、無干擾。任何由於分割平面、切口，甚至大量過孔而造成的平面層中斷，都會導致回傳信號在平面上游走，產生噪音。 |
此時，我們已經準備好開始進行帶狀傳輸線佈線了。根據需要，我們也可以使用不同類型的帶狀線佈線配置。在某些情況下，可能需要在參考平面之間進行佈線偏移，或與另一個信號耦合在一起。下圖中展示了一些例子。
帶狀線佈線結構的一些示例
設計工具中需要具備哪些功能來順暢進行帶狀線佈線設計？
下一個問題是，我們的 PCB 設計工具是否足以順暢完成帶狀傳輸線佈線？ 以下 PCB 設計工具功能會非常有幫助——首先是能夠直接與製造商合作，以導入電路板層疊構資訊。透過使用 IPC 2581 資料格式，製造商可以向我們發送他們首選的層疊構資訊，包括材料、寬度和層配置。然後，我們可以使用同樣的協議回傳完成的電路板檔，以便進行製造和組裝。設計工具中內置的阻抗計算器也很有説明，設計規則和高階編輯功能也可用於進行佈線和創建接地平面。
Cadence 公司的 PCB 設計系統具有上述提到的所有成熟的特性和功能。OrCAD PCB Designer 、Allegro PCB Designer 提供了專業的工具和功能，可幫助您順利完成設計的各個階段——從概念設計到最終的製造檔，並能協助您進行帶狀傳輸線的佈線。藉助 OrCAD / Allegro，您可以使用零件庫、電路圖Capture和 SPICE 工具，以及實現成功設計所需的所有 PCB layout 功能。
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譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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